(57)【要約】【課題】ＩＧＢＴモジュール等パワーモジュールにおいて、長寿命化を実現する。【解決手段】パワー半導体チップを回路基板へ接着し、チップ表面と外部配線をアルミワイヤ等の金属ワイヤを接続して通電、制御するパワーモジュールでは、金属ワイヤとパワー半導体チップの接合界面は、両者の線膨張係数が大きく異なるために、動作時の発熱冷却で疲労する。この疲労による亀裂は、主としてワイヤの多結晶粒界で進展するので、金属ワイヤを、結晶粒界を持たない非晶質金属ワイヤ或いは、一つの結晶粒がワイヤ径同等以上として、クラックの発生、進展を抑制し、長寿命のパワーモジュールを実現した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子が接着され電気的に接続される回路基板あるいは金属配線とを有し、前記パワー半導体素子の表面に金属ワイヤが接合され、前記回路基板の回路パタン乃至は前記リードフレーム、或いは前記回路基板、リードフレーム外に配置された端子に電気的に接続されるパワー半導体装置において、
前記金属ワイヤが、非晶質金属ワイヤであることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
主電流をスイッチングするパワー半導体素子と、該パワー半導体素子が接着され電気的に接続される回路基板あるいは金属配線とを有し、前記パワー半導体素子の表面に金属ワイヤが接合され、前記回路基板の回路パタン乃至は前記リードフレーム、或いは前記回路基板、リードフレーム外に配置された端子に電気的に接続されるパワー半導体装置において、
前記金属ワイヤが、多結晶金属であり、前記パワー半導体素子表面での接合部での、前記多結晶粒の粒径が、前記金属ワイヤ断面のワイヤ線径と同じであることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項３】
請求項１、２の何れかにおいて、前記金属ワイヤの材質がアルミ、又は銅、又は、アルミ又は銅を主成分とする合金であることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項４】
請求項１、２、３の何れかにおいて、前記金属ワイヤ線径が０.３mmφ 以上、１mmφ以下であることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項５】
請求項１、２、３、４の何れかにおいて、前記パワー半導体素子が、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを含むことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項６】
請求項５において、前記金属ワイヤは、少なくとも、主電流を通電する、ソース配線、又は、エミッタ配線のワイヤであることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、前記金属ワイヤは、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴのソース又はエミッタ配線とダイオードのアノード配線に適用されることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項８】
請求項１、２、３、４、５、７の何れかにおいて、前記パワー半導体素子は、少なくとも前記金属ワイヤ、前記回路基板又は前記リードフレームとともに、エポキシレジン等の硬質樹脂で封止されることを特徴とするパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュール中パワー半導体チップの配線材料、構造に関するものである。特に、車載用等高信頼、高寿命ＩＧＢＴモジュール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
数アンペアから数百アンペア、さらには１０００アンペア程度の電流を制御するＩＧＢＴモジュール等、パワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体チップ表面の電極と外部の回路パタンへの電気的接続は、アルミワイヤにより行われるのが一般的である。アルミワイヤを超音波接合によりＩＧＢＴチップ表面のアルミ電極へ接合する構造は、接合工程で素子へのダメージが小さく、かつ、低コストな工程であり、さらには、接合信頼性も比較的高いためである。
【０００３】
上述した一般的な構造を、断面模式図で図２に示す。図２はＩＧＢＴモジュール２００の断面構造模式図を示している。ＩＧＢＴチップ１０２が表面に回路パタンを有するセラミックス基板１０６にはんだ接着されており、ＩＧＢＴチップ１０２表面には、ゲートアルミワイヤ１０３、エミッタアルミワイヤ２０１が接合されている。一般に、ゲートアルミワイヤ１０３と、エミッタアルミワイヤ２０１は同一のワイヤが接合される。なお、エミッタアルミワイヤ２０１は大電流を通電するため、一般に線径は３００μｍφ以上であり、複数本接続されている。
【０００４】
図２に示す従来技術の欠点は、ＩＧＢＴチップ表面に接続されたアルミワイヤの接続寿命が短い事である。図３を使用して説明する。図３はアルミワイヤ２０３／ＩＧＢＴチップ１０２接合界面の拡大模式図を示している。アルミワイヤ２０３は多数の結晶粒３００を有する多結晶体である。ＩＧＢＴチップ１０２は、動作時に、通電による発熱及び冷却を繰り返す。即ち、ＩＧＢＴチップ１０２、及び、接合近傍のアルミワイヤ２０３は、各々の線膨張係数に従い伸縮動作を繰り返す。ＩＧＢＴチップ材質であるＳｉ、及び、Ａｌの線膨張係数は、各々３ppm／ｄｅｇ、２３.６ppm／ｄｅｇである。即ち、アルミワイヤ２０３の伸縮量３０１の方が、ＩＧＢＴチップの伸縮量３０２より大幅に大きい。従って、非特許文献１に記載されているように、接合界面には、大きなせん断応力が発生し、接合界面のアルミワイヤ２０３には塑性歪が発生する。この歪により、変形し易い多結晶粒界が主として破壊し易いため、アルミワイヤ破断境界３０３に示すように、多結晶粒界にそって、アルミワイヤ２０３は破断（アルミワイヤのリフトオフ不良）してしまう。従って、多結晶粒が小さく、粒界が多いほど破断し易い。
【０００５】
本リフトオフ不良の発生を遅らせ、接合寿命を伸ばす方法として、接合部の応力、歪を分散低減させるために、パワー半導体素子をエポキシ樹脂等の硬質樹脂で封止することが考えられる。しかしながらが、結晶粒界が存在する限り、大幅な寿命向上は難しい。
【０００６】
【非特許文献１】Mauro Ciappa Selected failure mechanisms of modern power    modules. Microelectronics Reliability 2002；42：653−667
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＩＧＢＴ等パワー半導体チップ表面にアルミワイヤを接合することにより外部配線と接続し、通電、制御するパワーモジュールにおいて、前述のように、アルミワイヤは、動作時の発熱冷却によって接合界面に亀裂発生し進展するため、剥離にいたる。
【０００８】
本発明の目的は、接合部剥離を防止し、アルミワイヤの接続寿命を大幅に長寿命化したパワー半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のパワー半導体装置は、パワー半導体チップに接続されるアルミワイヤ等の金属ワイヤを、非晶質金属、乃至は、線径と同程度以上に多結晶粒が大きく、かつ、接合界面に平行に連続した粒界を持たない金属で構成した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のパワー半導体装置は、ＩＧＢＴ等パワー半導体チップの実装構造において、パワー半導体チップ表面に接続される金属ワイヤ材質は、非晶質金属、乃至は、従来と比べて飛躍的に結晶粒の大きな多結晶である。パワー半導体チップ／金属ワイヤの接合構造において、亀裂の発生箇所は、第一が接合界面であり、第二が、パワー半導体チップ表面からワイヤが立ち上がる部分、所謂、ワイヤのネック部である。亀裂は、主として結晶粒界の滑りで進展することが明らかになっており、本発明のワイヤは粒界が無い、乃至は、接合界面に水平に連続した粒界がないため、亀裂発生、進展に対する耐量が極めて高く、パワー半導体モジュールを飛躍的に長寿命化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のパワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ実装に使用される金属ワイヤを非晶質金属とすることで、ワイヤ接続寿命を向上させた。さらに、パワー半導体チップをエポキシ樹脂等の硬質樹脂で封止して、ワイヤの熱歪を低減した。以下、本発明の詳細を図面を用いながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
本実施例を、図１、図６を使用して説明する。図１は、ＩＧＢＴモジュール１００の断面模式図であり、ＩＧＢＴチップ１０２から放熱板である銅ベース１１３までの模式図である。図６はパワー半導体チップを搭載した銅貼りＡｌＮ基板であるセラミックス基板１０６の平面模式図である。
【００１３】
本実施例のＩＧＢＴチップ１０２の定格電圧と電流は各々６００Ｖ、２００Ａである。ＩＧＢＴの主端子に逆並列に接続したＦＷＤ(Free Wheeling Diode) を構成するのダイオードチップ６０１も同様である。ＩＧＢＴチップ１０２、ダイオードチップ６０１は各２チップが並列で一枚の銅貼りＡｌＮ基板であるセラミックス基板１０６に、はんだ１０４等で接着されている。なお、ＩＧＢＴチップ１０２の裏面はコレクタ電極、ダイオードチップ６０１の裏面はカソード電極である。また、はんだ１１４で接着されているゲート抵抗チップ１０５は、２並列接続されたＩＧＢＴチップ１０２が駆動時に共振しないためのダンピング抵抗である。銅貼りＡｌＮ基板であるセラミックス基板１０６の部材厚さは以下の通りである。表面回路パタン厚さ０.３mm、裏面銅板厚さ０.２mm、ＡｌＮ厚さ０.６３５mmである。セラミックス基板１０６の概略大きさは、３cm×５cmである。ＩＧＢＴチップ１０２、ダイオードチップ６０１の厚さは０.３５mmであり、はんだ１０４の厚さは０.１mmである。このはんだ１０４は、融点３００℃以上の高融点はんだである。パワー半導体チップが搭載されたＡｌＮのセラミックス基板１０６は、融点１８０℃程度の低融点のはんだ１１２で銅ベース１１３にはんだ接着されている。はんだ１１２の厚さは０.２mmである。銅ベース１１３の材質は無酸素銅であり、厚さは３mmである。外部装置への実装は、本銅ベース１１３を熱伝導グリース等でヒートシンクへ固着し放熱させる。銅貼りＡｌＮ基板であるセラミックス基板１０６の銅板、及び、銅ベース１１３の表面はいずれもニッケルメッキ処理されている。ニッケルメッキ層の厚さは６μｍ程度である。コレクタパタン１０８と、はんだ１１２接着の信頼性を考慮してニッケルメッキ処理を実施している。
【００１４】
パワー半導体チップであるＩＧＢＴチップ１０２と、ダイオードチップ６０１への通電は、上記のように、コレクタ電極、カソード電極がＡｌＮのセラミックス基板１０６上の回路パタンに接着されるとともに、エミッタ、アノードがワイヤ１０１、６０２で接続される事で行われる。ＩＧＢＴチップ１０２に関しては、その他、ゲートアルミワイヤ１０３が接続され制御される。
【００１５】
本実施例のエミッタのワイヤ１０１、アノードのワイヤ６０２は、線径が４００μｍφであり、材質は非晶質アルミである。即ち、ワイヤ全体に渡って結晶粒界は存在しない。純アルミに、非晶質化しやすい不純物をわずかに添加している。接合は、超音波接合による固相接合である。ステッチワイヤと呼ばれ、チップ上に一本のワイヤが２箇所接続される形状で、ＩＧＢＴチップ１０２には１２本、ＦＷＤであるダイオードチップ６０１には８本のワイヤが接続されている。この接続本数は、従来技術の構造とほぼ同じであり、従って、ワイヤの電流密度も従来技術と同程度の１３０Ａ／mm2（２００Ａ／チップ通電した場合）である。なお、図６の模式図では簡略化のためワイヤ本数は省略して記述している。ゲートアルミワイヤ１０３は従来技術と同様のアルミワイヤで線径は４００μｍφである。これは、電圧駆動であるＩＧＢＴのゲートには電流はほとんど流れないので、発熱がほとんど無く接続寿命は問題にならないくらい長いためである。
【００１６】
上述のように、エミッタワイヤの接続寿命は、例えばＩＧＢＴチップ１０２の場合、ＩＧＢＴチップ１０２とワイヤ１０１の接合部の剥離で支配される。従来、この剥離寿命は、ＩＧＢＴジャンクション温度振幅（ΔＴｊ）が１００ｄｅｇ程度の場合、２万回程度である。そこで、実際にジャンクション温度振幅１００ｄｅｇの熱疲労試験を実施して、本実施例の寿命を検証した。その結果、本実施例の非晶質アルミワイヤで接続する事により、従来技術の倍以上の５万回を実現する事ができた。従来技術では、発生するせん断応力により、アルミワイヤの粒界ですべりが発生し、亀裂進展が激しく進んだが、本実施例の非晶質アルミワイヤの場合には、このような現象の発生が無いため、著しく寿命が延びた。故障モードも、従来技術では、アルミワイヤの剥離のため、チップ破壊に至ったが、本実施例の場合は、わずかな亀裂のために、ＩＧＢＴのオン電圧が規定値よりも上昇したのみであった。
【実施例２】
【００１７】
本実施例を、図４を使用して説明する。図４は、本発明のワイヤとＩＧＢＴチップ１０２の接合部を模式的に示したものである。本実施例のチップ、ＡｌＮ基板構成・形状、銅ベース等は、実施例１と同一である。実施例１では、アルミワイヤの材質は非晶質アルミであった。非晶質アルミは、従来技術の多結晶に比べ、線径等条件によっては高コストになる可能性がある。そこで、本実施例は、非晶質ではなく、結晶粒界は存在するものの、従来技術に比べ結晶粒を粗大化して、従来技術で生じた亀裂進展モードを発生させないようにした。
【００１８】
アルミワイヤ４００の線径４０２は実施例１同様の４００μｍφである。アルミワイヤ４００の多結晶粒４０１は高温アニール等の手段で大幅に粗大化されており、その粒径は、線径である４００μｍφよりも大きくなっている。このような大きな多結晶粒とする事で、図４に示すように、Ｓｉチップ／ワイヤ接合界面４０３に、境界と平行な方向の粒界が存在しないため、実施例１とほぼ同じ効果が期待できる。実際、熱疲労試験（ΔＴｊ＝１００ｄｅｇ）を実施すると、その耐量は４万回であり、従来技術に比べて大幅な寿命向上を確認できた。
【実施例３】
【００１９】
本実施例を、図５を使用して説明する。図５は、図１同様、ＩＧＢＴモジュール５００の断面模式図であり、図１と同様に、ＩＧＢＴチップ１０２から放熱板である銅ベース１１３までの模式図である。また、封止樹脂５０１も模式的に示している。本実施例のチップ、ＡｌＮ基板構成・形状、銅ベース等、実施例１、実施例２と全く同一である。また、非晶質アルミワイヤを接続した点、及び、そのワイヤ仕様は実施例１と同一である。
【００２０】
本実施例では、エポキシ樹脂を封止樹脂５０１に用いた。従来技術では、ＩＧＢＴモジュール等のパワーモジュールは軟質レジンであるシリコーンゲルで封止されていた。しかしながら、本実施例では、硬質レジンであるエポキシ樹脂で封止している。封止は、トランスファモールドで行った。硬いエポキシ樹脂で封止すると、封止される部材の変形が抑制されるため、熱応力による歪が分散低減される、従って、ＩＧＢＴチップ／アルミワイヤ接合部の熱歪も分散、低減され、接合寿命は増大する。即ち、従来技術のワイヤでも、熱応力が分散、低減する事で亀裂が発生しづらくなり寿命が延びるのである。この構造の場合、ワイヤの断線は接合界面ではなく、ワイヤ中、形状が不連続に変化している箇所等、応力が集中し易い箇所で発生する。例えば、超音波接合用ツールの形状がついてしまうワイヤの立ち上がり部等（ネック部）である。基本的にこの場合の断線も多結晶粒界の滑りで亀裂は発生し易いと考えられる。即ち、本実施例のようにエポキシ樹脂封止を適用することにより、非晶質ワイヤ中に歪は分散されるため、さらなる長寿命化が達成できるのである。
【００２１】
実施例１と同様に、ΔＴｊ＝１００ｄｅｇの熱疲労試験を実施し、寿命を確認した。その結果、寿命は１０万回程度と大幅に増大することが確認できた。エポキシ樹脂封止で接合界面の応力が低減し、ワイヤ接合部での亀裂発生がなくなったことと、ワイヤ全体に結晶粒界が存在しないために、あらゆる箇所で亀裂発生進展が起こりにくいためである。本実施例の構造の場合、熱疲労試験の寿命決定要因は、部分的な亀裂、割れ等ＩＧＢＴチップ１０２そのものの寿命である事が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例１のＩＧＢＴモジュールの断面構造模式図。
【図２】従来技術のＩＧＢＴモジュールの断面構造模式図。
【図３】従来技術の構造における接続ワイヤ破断の説明図。
【図４】実施例２のワイヤ接合部の断面模式図。
【図５】実施例３のＩＧＢＴモジュールの断面構造模式図。
【図６】実施例１のＩＧＢＴの平面模式図。
【符号の説明】
【００２３】
１００、２００、５００…ＩＧＢＴモジュール、１０１、６０２…ワイヤ、１０２…ＩＧＢＴチップ、１０３…ゲートアルミワイヤ、１０４、１１２、１１４…はんだ、１０５…ゲート抵抗チップ、１０６…セラミックス基板、１０７…エミッタパタン、１０８…コレクタパタン、１０９…ゲートパタン、１１０…セラミックス、１１１…セラミックス基板裏面金属板、１１３…銅ベース、２０１…エミッタアルミワイヤ、２０３、４００…アルミワイヤ、３００…結晶粒、３０１…アルミワイヤの伸縮量、３０２…ＩＧＢＴチップの伸縮量、３０３…アルミワイヤ破断境界、４０１…多結晶粒、４０２…線径、４０３…Ｓｉチップ／ワイヤ接合界面、５０１…封止樹脂、６０１…ダイオードチップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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